雙組分聚氨酯膠粘劑在汽車塑料上的應(yīng)用

楊　磊，閆　飛，任萬里，王連越，魏蓓蓓（長城汽車股份有限公司技術(shù)中心，河北省汽車工程技術(shù)研究中心，河北 保定 071000）

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雙組分聚氨酯膠粘劑在汽車塑料上的應(yīng)用

楊磊，閆飛，任萬里，王連越，魏蓓蓓
（長城汽車股份有限公司技術(shù)中心，河北省汽車工程技術(shù)研究中心，河北 保定 071000）

摘要：簡述了高性能雙組分聚氨酯膠粘劑在汽車用塑料材料粘接方面的應(yīng)用，以及汽車塑料材料的粘接特點、粘接工藝。著重分析了雙組分聚氨酯膠粘劑在汽車用塑料粘接上的優(yōu)勢，以及在汽車行業(yè)應(yīng)用的相關(guān)技術(shù)要求，并結(jié)合國內(nèi)外先進(jìn)測試標(biāo)準(zhǔn)介紹了其主要性能指標(biāo)以及測試方法等。

關(guān)鍵詞：聚氨酯；汽車塑料；粘接；輕量化

在全球汽車行業(yè)提倡節(jié)能減排、降油耗的大環(huán)境下，汽車輕量化技術(shù)成為了最直接有效的節(jié)能降油耗方法。目前汽車輕量化技術(shù)中用來代替?zhèn)鹘y(tǒng)汽車金屬材料的主要材料包括高性能塑料、高強(qiáng)鋼、鋁合金、碳纖維等。其中塑料材料相對密度低、抗沖擊性良好、柔韌性優(yōu)良，耐摩擦性耐磨損性小，可適用于各種加工方法，而且吸音、防震隔熱、電絕緣性和耐化學(xué)藥品性優(yōu)良，具有可進(jìn)行增強(qiáng)改性等優(yōu)點。

塑料材料在汽車上應(yīng)用在近年來快速發(fā)展，例如，塑料后背門等零部件已經(jīng)逐漸代替?zhèn)鹘y(tǒng)的金屬后背門，且在福特翼虎（歐洲版）、標(biāo)致 3008 、英菲尼迪 EX、寶馬 X3等車型得到廣泛應(yīng)用，塑料代替金屬后可使整車質(zhì)量降低4 ～ 15kg。更輕的質(zhì)量帶來更好的操控性，不但加速性能得到了提高，燃油經(jīng)濟(jì)性也得到了較大的改善。

在汽車上應(yīng)用的主要塑料為PP+EPDMTD20（聚丙烯與三元乙丙橡膠共聚材料）、PP-LGF（長玻纖增強(qiáng)聚丙烯材料）、SMC（片狀模塑料）等高強(qiáng)度工程材料，傳統(tǒng)的鋼板連接方式為焊接，塑料的連接方式主要為粘接，而PP等非極性材料表面能低不易粘接，汽車工作條件復(fù)雜，因此對粘接用膠粘劑提出了較高的要求，需要膠粘劑有良好的粘接強(qiáng)度、耐高低溫性、耐機(jī)械振動性等特點。根據(jù)汽車塑料粘接特點以及汽車運行工況、運行環(huán)境，經(jīng)過大量實驗驗證，適用于汽車塑料粘接的膠粘劑是雙組分聚氨酯膠粘劑。

1　膠粘劑的主要性能

雙組分聚氨酯膠粘劑分A、B2種組分，使用時2組分通過螺旋混合裝置1：1混 合，A組分為聚氨酯預(yù)聚體，含有異氰酸酯基團(tuán)， B組分為多羥基化合物，A和B組分混合時在常溫發(fā)生化學(xué)反應(yīng)固化。

雙組分聚氨酯膠粘劑固化速度快、模量高、粘接強(qiáng)度高、有較高的斷裂伸長率，可以滿足塑料材料的變形，而且綜合成本低、施工操作方便。

2 膠粘劑在汽車塑料上的應(yīng)用

雙組分聚氨酯膠粘劑在汽車塑料上的典型應(yīng)用為塑料后背門的內(nèi)板和外板連接（見圖 1），塑 料后背門內(nèi)板的材料一般為 PPLGF40，外 板材料一般為 PP+EPDM-TD20。塑料后背門內(nèi)外板的粘接工況復(fù)雜，因此需要膠粘劑具有良好的性能以滿足塑料后背門的粘接特點（見表 1）。

圖1　塑料后背門涂膠示意圖Fig.1　Schematic diagram of the plastic back door coating

表1　塑料后背門粘接特點Tab.1　Bonding characteristics of plastic back door

雙組分聚氨酯膠粘劑固化速度快，常溫下 35min 就可達(dá)到0.26MPa的初始強(qiáng)度，此強(qiáng)度可以達(dá)到塑料后背門的搬運強(qiáng)度，能滿足塑料后背門的操作時間（按照 70s/件計算）， 15h膠粘劑可達(dá)到使用強(qiáng)度。雙組分聚氨酯膠粘劑有 230%的斷裂伸長率，可以滿足塑料的遇冷熱變形問題，同時膠粘劑固化后拉伸強(qiáng)度達(dá)到 7.5MPa ，剪切強(qiáng)度高達(dá)6 MPa，完全滿足塑料后背門內(nèi)外板的粘接強(qiáng)度要求。塑料后背門的主體材料為 PP，由于PP為非極性材料，表面能比較低，不易粘接，因此在粘接時需要對塑料表面進(jìn)行火焰處理或等離子處理，或者應(yīng)用底涂劑的方式增強(qiáng)膠粘劑的粘接強(qiáng)度。

2.1雙組分聚氨酯膠粘劑的粘接工藝

（1）施工環(huán)境

雙組分聚氨酯膠粘劑固化時有化學(xué)反應(yīng)參與，因此粘接時需要考慮外部環(huán)境因素，包括使用溫度、濕度、氣候條件等，一般環(huán)境溫度建議高于 15℃，濕度建議為 30%RH～80%RH。因為溫度過低會導(dǎo)致膠粘劑黏度增大，易出現(xiàn)打膠困難、出膠速度慢等問題，影響現(xiàn)場操作節(jié)拍，溫度、濕度過低也會使固化時間變長。冬季室外溫度低于 10 ℃時，膠粘劑在使用前需要放置于 18 ℃以上的室內(nèi)至少 24h；如果車間貯存處沒有空調(diào)，建議提前 1周將材料送到存膠間升溫。存膠間的溫度設(shè)置建議在 20 ℃以上。夏季廠內(nèi)環(huán)境溫度不要高于 35 ℃，否則，黏度降低而導(dǎo)致出膠速度過快，易產(chǎn)生溢膠、流淌等施工問題。

（2）基材的表面處理

PP是一種結(jié)晶度較高的聚合物，分子鏈排列規(guī)整，聚集態(tài)緊密，分子間作用力強(qiáng)，表面能低。為使 PP基材表面具有良好的粘附性，需要對基材表面進(jìn)行預(yù)處理，以增強(qiáng)表面化學(xué)活性與表面能。常用的 PP表面處理方法有化學(xué)溶劑氧化法、等離子處理法、火焰處理法等。目前在實際應(yīng)用中，火焰處理由于成本較低，是應(yīng)用最廣泛的表面處理方法。火焰處理是用可燃?xì)怏w燃燒產(chǎn)生的火焰與被處理的塑料表面相接觸，從而使被處理的塑料表面粗化（結(jié)晶型塑料產(chǎn)生晶體）并發(fā)生化學(xué)變化，使表面產(chǎn)生極性基團(tuán)（羰基）的一種表面處理方法。用火焰處理方法對塑料后背門內(nèi)外板的粘接面進(jìn)行表面處理，火焰處理裝置中的燃料氣體為壓縮空氣和天然氣（含96%的甲烷），火焰處理時將樣件放在可調(diào)節(jié)速度的鏈條上，當(dāng)鏈條在電機(jī)的帶動下轉(zhuǎn)動時，樣件從火焰中穿過得以氧化，樣件中任一點在火焰中通過需要的時間為 0.05s。

影響火焰處理結(jié)果的參數(shù)主要有：空氣與天然氣的比例；樣件表面與內(nèi)焰的距離，最佳的樣件表面與內(nèi)焰的距離為 0.5～ 1cm。經(jīng)過表面處理后用達(dá)因筆測試樣件的表面能，要求表面能達(dá)到 45達(dá)因。

（3）粘接設(shè)計

根據(jù)尾門的自重，以及各種加載的加載量，在粘接設(shè)計時，一般將涂膠寬度設(shè)計為12～ 20mm， 涂膠厚度設(shè)計為3～4mm，內(nèi)外板之間設(shè)有高度調(diào)節(jié)器（墊塊），可以使涂膠后膠粘劑保持一定高度而不塌陷（見圖 2）。

圖2　涂膠尺寸示意圖Fig.2　Schematic diagram of glue size

（4）施工方法

雙組分聚氨酯膠粘劑一般分為小支膠和大桶膠，小支膠用于手工打膠，大桶膠用于機(jī)器人涂膠，根據(jù)對涂膠寬度和高度需要對吐膠量進(jìn)行設(shè)置，打膠時要求膠槍沿著涂膠軌跡勻速移動，膠體均勻、連續(xù)，拐角為圓弧過渡，收口方式、收口位置應(yīng)該避開后背門上的線束、卡子等結(jié)構(gòu)。

（5）粘接過程的失效模式和規(guī)避方法

a、水汽污染基材粘接面，尤其梅雨季節(jié)，粘接層出現(xiàn)蜂窩狀（蜂窩狀為異氰酸酯與水反應(yīng)生成的二氧化碳?xì)馀荩谀z材中生成的缺陷。雙組分聚氨酯膠會出現(xiàn)此狀況，保證基材干燥即可）； b、混合比失調(diào)（涂膠設(shè)備故障，及時調(diào)整涂膠設(shè)備）； c、涂膠軌跡上出現(xiàn)斷膠（手動補(bǔ)膠即可）。

2.2性能測試

2.2.1剪切強(qiáng)度

（1）試驗材料：雙組分聚氨酯膠粘劑BETAMATE2810，陶氏化學(xué)（中國）投資有限公司； PP+EPDM-TD試片，沙伯基礎(chǔ)創(chuàng)新塑料（中國）有限公司； PP-LGF40試片，塞拉尼斯（中國）投資有限公司；百潔布， 3M（中國）有限公司。

（2）試驗設(shè)備：萬能拉伸試驗機(jī)、火焰處理器、電子顯微鏡、雙組分膠槍。

（3）試驗步驟

A） 將 PP+EPDM- TD試 片和 PP-LGF40試片進(jìn)行裁切，裁切尺寸為長度 100mm， 寬度25 mm，厚度以實際應(yīng)用板厚為準(zhǔn)；

B）對板材表面進(jìn)行不同方式的表面處理，處理方式如下：

1）無任何表面處理，電子顯微鏡放大900倍 后見圖3；

圖3　未經(jīng)過任何處理Fig.3　Without any surface treatment

2）火焰處理（處理完后放置 10min），按照火焰處理工藝對基材表面進(jìn)行火焰處理，處理后室溫放置 10min后，通過電子顯微鏡放大 900倍 的表面見圖4；

圖4　火焰處理放10 minFig.4　Ten minutes after the flame treatment

3）火焰處理（處理完后放置1h） ，按照火焰處理工藝對基材表面進(jìn)行火焰處理，處理后室溫放置 1h后，通過電子顯微鏡放大900 倍的表面見圖5 ；

4） 3M百潔布打磨：用百潔布對基材表面進(jìn)行擦拭，目測達(dá)到潔凈狀態(tài)，通過電子顯微鏡觀察放大9 00 倍的表面見圖6。

通過試驗可知，只用百潔布表面擦拭會增加 PP表面的粗糙度，用火焰處理會大幅增加 PP表 面粗糙度（見圖4表面狀態(tài)），但是如果火焰處理后放置過長時間不涂膠，基材表面會粘附空氣中的水汽，影響表面處理效果（見圖 5表面狀態(tài)）；

圖5　火焰處理放1 hFig.5　Place an hour after the fire

圖6　百潔布擦拭Fig.6　Wipe with a cloth

C）膠粘劑剪切試樣的制備采用單片制備的方法，試片應(yīng)根據(jù)不同的膠粘劑種類進(jìn)行選擇，所選試片表面應(yīng)平整，不應(yīng)有彎曲、翹曲、歪斜等變形，應(yīng)無毛刺，邊緣保持直角，制備過程中應(yīng)確保 2個被粘試片精準(zhǔn)對齊。用玻璃棒將膠粘劑試料攪拌均勻，防止試料長時間靜置溶劑析出。用調(diào)漆刀將試樣涂敷在試片上，涂膠尺寸為：長度 25mm，寬度 25mm， 厚度0.8mm，根據(jù)涂膠厚度選擇使用合適的墊片從 2端封堵試樣。將另一同樣試片與之搭接，疊合、刮去 2側(cè)多余的試樣。用鐵夾子從 2側(cè)夾緊，水平放置，每種膠粘劑試樣至少制備 5個膠接試樣。

D）將剪切試樣放入 80℃的烘箱 1h進(jìn)行固化（此為加速固化，在室溫條件下 15h完全可以固化），固化完成后室溫冷卻 1h，在拉伸試驗機(jī)上進(jìn)行拉伸剪切測試，測試速度為 13mm/min。記錄拉伸剪切測試結(jié)果，并記錄破壞模式，常見的破壞模式分為基材破壞、膠層破壞、粘接破壞3種。

（4）試驗結(jié)果（見表2）

從表 2可以看出，經(jīng)過火焰處理的粘接強(qiáng)度要高于其他表面處理方法的， 2組火焰處理出現(xiàn)粘接強(qiáng)度和破壞模式差異，通過電子顯微鏡分析破壞面的狀態(tài)，發(fā)現(xiàn)火焰處理后，PP板材表面出現(xiàn)很大的比表面積，可能吸收空氣中的水汽，導(dǎo)致膠粘劑中成分與水反 應(yīng)，降低了粘接強(qiáng)度。

表2　剪切試驗結(jié)果Tab.2　Shear strength test results

2.2.2耐老化性

耐老化試驗包括耐高溫試驗、耐冷熱循環(huán)試驗、耐紫外線照射等。

（1）耐高溫試驗條件

a）將剪切試樣放入（90±2）℃恒溫烘箱中加熱 300h 后取出，進(jìn)行剪切試驗；b）將剪切試樣放入（120±2 ）℃恒溫烘箱中加熱3 h后取出，進(jìn)行剪切試驗。

（2）耐冷熱循環(huán)試驗條件

a）將試樣在（- 40±2）℃的低溫箱中放置6h；b） 取出試樣，在室溫狀態(tài)下放置1 h；c） 將試樣在（90±2）℃恒溫烘箱中存放16 h； d） 取出試樣，在室溫狀態(tài)下放置 1h；e）試樣放入 40℃、相對濕度 95%的恒溫恒濕箱中放置 90h； f）取出試樣，在室溫狀態(tài)下放置6h；g） 重復(fù)a～f共5 個循環(huán)；h）完成5個循環(huán)試驗后，進(jìn)行剪切試驗

（3）耐紫外線照射試驗條件

將試樣放入耐紫外線老化機(jī)，試樣玻璃一面正對紫外燈，玻璃表面與紫外燈距離260 mm， 打開紫外燈照射1000h后 取出，在 40 ℃下放置 24h，然后進(jìn)行剪切強(qiáng)度試驗。

（4）試驗結(jié)果（見表3）

表3　老化性能試驗結(jié)果Tab.3　Test results of ageing resistance

由表3可見，經(jīng)過 3項老化測試，剪切強(qiáng)度的變化率在 10%以內(nèi)，破壞方式為本體破壞，說明膠粘劑具有優(yōu)異的耐環(huán)境老化能力。

3 結(jié)語

未來汽車的發(fā)展方向為新能源、輕量化，因此更多的高性能、輕質(zhì)非金屬材料會逐漸代替金屬材料，在未來汽車上廣泛應(yīng)用。非金屬材料的連接問題勢必成為未來汽車行業(yè)非常重要的課題。高性能的膠粘劑會在未來汽車發(fā)展中扮演重要的角色，為新能源汽車、汽車輕量化、汽車平順性等提供優(yōu)異的解決方案。

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中圖分類號：TQ433.4+32

文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A

文章編號：1001-5922（2016）03-0076-04

收稿日期：2015- 09- 01

作者簡介：楊磊（1989-），男，工程師。研究方向：汽車化工材料設(shè)計。E-mail：cyclhg@gwm.cn。

The two-component polyurethane adhesive in auto plastic adhesive application

YANG Lei， YAN Fei， REN Wan-li， WANG Lian-yue，WEI Bei-bei
（Technological Center of Great Wall Automobile Co.， Ltd.， Baoding， Hebei Province Automobile Engineering Technology Research Center， Baoding， Hebei 071000， China）

Abstract：This paper briefly describes the high performance of two-component polyurethane adhesive in the car with adhering to the application of plasticmaterials， and the adhesive characteristics of the plasticmaterial， adhesive technology.A two-component polyurethane adhesive is analyzed emphatically in the car with plastic glued to the advantage of as well as the relevant technical requirements of the application in the automobile industry， and connecting with the domestic and foreign advanced test standard introduced its main performance index and test methods.

Key words：polyurethane； auto plastic； adhesive； lightweight